JP4874997B2 - Ｃｖｄ反応炉用ガス注入部品 - Google Patents

Description

本発明は、周縁部にあるアクセス開口を介してチャンバに導入されたプロセスガスを、処理チャンバに入れるために底部に多数の排気口を有した、チャンバを備えたＣＶＤ反応炉用ガス注入部品に関する。

また、本発明は、このタイプのガス注入部品で形成されるＣＶＤ反応炉にも関する。

一般的なガス注入部品は、特許文献１及び特許文献２で既に知られている。既知のガス注入部品は、チャンバ内に導入された様々なプロセスガスを、ガス注入部品の底部から分散しながら開口の外部に出せるように、上下に配置されたいくつかのチャンバの各々が、多数の通路によって底部に接続されている。その結果、ガスはガス注入部品の下に配置された処理チャンバに入る。処理チャンバの底部は基板ホルダによって形成されており、その上には、プロセスガスによって処理チャンバに導入された成分を用いてコーティングされる１ないし複数の基板が配置される。既知のガス注入部品は、有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）に利用されている。
欧州特許公開第１２５２３６３号公報 欧州特許公開第０６８７７４９号公報

有機金属化学気相成長法（ＭＯＣＶＤ）は、単一成分又は多成分酸化物絶縁層（誘電体）、半導体層、保護層又は電気誘電層を積層させるために広く用いられている方法である。ＭＯＣＶＤを行うためには、数種類の反応ガス又はガス状前駆体を混ぜ、加熱した基板の上に積層させるために処理チャンバ内に入れた後、処理チャンバの外部に排出する。反応炉は、様々な幾何学的形状をしており、例えば、水平反応炉及び縦型反応炉がある。水平型反応炉の場合、基板の表面は、混合された前駆体と反応ガスの流れと平行である。縦型反応炉の場合、同様のガス混合物は、基板の表面に垂直に当たり、基板の両端部へ流れ、反応チャンバの外部に出る。一般的に、基板を回転することで、積層する層の均一性を高めることができる。

基板上の蒸着を確実に均一にするためには、様々なガス状前駆体又は反応ガスを、必ず完全に混合する必要がある。これを実現するために、処理チャンバに導入する前の早期段階でガス混合を実現する方法がある。この方法は、ガス注入部品中の温度と圧力の下で安定的な前駆体及び反応ガスに適している。

しかし、使用される前駆体は反応性が大変高い場合が多く、気相反応が発生することで生じる副産物は、基板の前段にあるガス搬送部の上で蒸着、次いで徐々に堆積して、粒子を形成し、基板を粒子コーティングする結果となり、基板の反応機構を変えて、成長プロセスの効率を低下させてしまう。

既知のマルチチャンバ型ガス注入部品（特許文献３も参照）の場合、様々なガス状前駆体と反応ガスが個別のチャンバに供給され、多数の開口を介して直接的に基板に供給される。しかし、混合は基板に直に当たる領域でしか行われない。酸化物絶縁層（誘電体）、保護層又は電気誘電層用の方法の一部の場合、このタイプの混合は、十分な均一性を持つ層を基板上に積層しないことが分かっている。一部の用途では、基板表面に積層した層が、例えば＜＋−１％になると不均一性が生じる。
米国特許公開第５８７１５８６号公報

気相有機金属前駆体の多くは、このように、狭い温度領域でしか安定しない。有機金属前駆体は、少なくとも１つの金属原子及び／又は、（例えばＳｉ、Ｇｅ等の）少なくとも１つの半導体原子をも含む。温度が低すぎる場合は、凝固が発生し、高すぎる場合は、他の反応ガスと混合する前でも分解が発生してしまう。それゆえ、ガス注入部品の温度を均一に維持する必要がある。

本発明の目的は、一般的なガス注入部品の稼動状態を向上させる手段を提供することである。

上記の目的は、請求項に記載された発明により達成される。原則的に、各請求項は独立した解決方法を提供し、各請求項は他のどの請求項又はその特徴のどれとも組み合わせることができる。

請求項１は、第一に、アクセス開口よりも前段に、少なくとも一つの混合チャンバ組部材を具備し、混合チャンバ組部材の中で少なくとも２種類のプロセスガスが混合されると定める。この構成の結果、プロセスガスは、ガス注入部品の中央にあるチャンバに導入される時には既に混合されており、チャンバから混合状態で底部の排気口を通って処理チャンバに入ることができる。ガス注入部品の中央にあるチャンバを環状拡散通路で囲むことが有利であることが分かっている。この環状拡散通路は、ガス注入部品の中央にあるチャンバに直結する多数のアクセス開口を有しており、既に混合されているプロセスガスは、これらのアクセス開口を介してチャンバ内に流れ込む。ガス注入部品の中央にあるチャンバは、円盤状である。環状拡散通路は、円環形状をしており、チャンバを囲んでいる。

展開図では、混合チャンバ組部材を出たプロセスガスの流れは、環状拡散通路に入れられるものと定められる。このためには、最も単純な場合には細長い板金によって形成されるガス流案内手段が設けられている。ガス流案内手段は、プロセスガスの流れに一定の流入方向を持たせるために、環状拡散通路にブレード状に突き出ている。好ましい展開図では、周縁部に沿って実質的に等間隔で多数の混合チャンバ組部材が配置されている。好ましくは、等間隔で円状に分布して配置された、具体的には少なくとも４つ、好ましくは６つの混合チャンバ組部材が環状拡散通路と結ばれている。これらの混合チャンバ組部材は、環状拡散通路の外側に放射状に位置している。本発明の展開図では、混合チャンバ組部材は、２つ以上のチャンバから成ると定められる。各プロセスガス用の供給管は、２つのチャンバの各々に開口している。この場合、１つのチャンバのみが、環状拡散通路又はガス注入部品の中央にあるチャンバに直結している。２つのチャンバは、好ましくは、ガス透過可能な分離壁によって互いに隔てられている。例えば、混合チャンバ組部材の第二チャンバに導入された第二のプロセスガスである反応ガスは、第一のプロセスガスであるガス状前駆体と共に環状拡散通路に入るために、この分離壁を通り、混合チャンバ組部材の第一チャンバに入り込むことができる。ガス透過可能な分離壁は、処理チャンバ内で行われる方法に適うように、好ましくは、着脱可能な多孔板によって形成されている。

ガス透過可能な分離壁は、好ましくは、ガス流案内手段の延長部分である。１種類以上のガス状前駆体及び化学的反応性が高い１種類以上の反応ガスを、混合チャンバ組部材に別々に導入し、少なくとも１つの混合チャンバ組部材で混合することは有利であると考えられる。混合されたガス状前駆体と反応ガスは、少なくとも１つの混合チャンバ組部材を出た後、環状拡散通路へ周方向に流れ込む。その後、混合されたガス状前駆体と反応ガスはアクセス開口を介して、ガス注入部品の中央にあるチャンバに動径方向に流れ込む。ガス注入部品の中央にあるチャンバの底部には、多数の排気口が設けられている。シャワーヘッドの穴状に配置されたこれらの排気口から、混合されたガス状前駆体と反応ガスは処理チャンバに流れ込む。好ましくは、少なくとも４つの混合チャンバ組部材が設けられている。各々の混合チャンバ組部材は、好ましくは、化学的反応性が高い少なくとも１種類のガス状前駆体を導入する少なくとも１つの前駆体チャンバである第一チャンバと、少なくとも１種類の反応ガスを導入する少なくとも１つの反応ガスチャンバである第二チャンバを有する。混合されたガス状前駆体と反応ガスは、好ましくは、前駆体チャンバである第一チャンバを介して混合チャンバ組部材から環状拡散通路へ排気される。

ガス状前駆体は、金属成分を含み、反応ガスは酸素、又は窒素を含む。混合されたガス状前駆体と反応ガスは、ガス注入部品の中央にあるチャンバ底部の多数の排気口から均等に出てゆく。環状拡散通路は、板金上の環状溝によって形成され、板金上には、ガス注入部品の中央にあるチャンバ及び混合チャンバ組部材の個々のチャンバを形成する多数の穿孔が設けられている。また、ガス注入部品の温度は調節することができる。処理チャンバ内において、コーティング処理は、好ましくは、０．００１Ｐａから５ｂａｒの処理圧力の下で行われる。ガス注入部品内の排気口は、デッドボリュームがないように形成されている。それゆえに、混合チャンバ組部材のチャンバも、丸みを帯びた壁を有する。ガス状前駆体と反応ガスは、各々の混合チャンバから環状拡散通路までの滞留時間が、ガス注入部品の中央にあるチャンバの中における滞留時間の数分の１である。ガス状前駆体は、常温において、液体又は気体の有機金属開始剤、もしくは、液体又は固体溶媒に溶解した有機金属液体又は有機金属固体開始剤である。ガス状前駆体は、蒸発されて気相に転換し、ガス注入部品を介して処理チャンバに入れられる。その際、１種類以上の不活性キャリアガスが補助的に用いられる場合がある。常温で既にガス状となっており、ガス注入部品に直接入れられる前駆剤を用いることも可能で、その際にも、不活性ガスが用いられる。酸素化合物は、特に、化学的反応性が高いガスとして用いられ、Ｏ_２Ｏ_３、Ｎ_２Ｏ又はＨ_２Ｏから成る。しかし、窒素化合物、具体的にはＮＨ_３も反応ガスとして同様に用いられる場合がある。また、ここで用いられる化学的反応性が高いガスは、水素化合物である場合もある。特に、Ｎ_２、Ｈ_２、ヘリウム、アルゴン又はその他の希ガス又は不活性ガスが、キャリアガスとして考慮される。このタイプのガス注入部品を備え付けたＣＶＤ反応炉の中では、好ましくは、多成分酸化物絶縁層（誘電体）、保護層、半導体層又は電気誘電層及び層配列が、少なくとも１つの基板の上に生成される。前駆体（開始剤）は、好ましくは、金属又は半導体成分を含む。

本発明は、単一成分層又は多成分層及び層配列を蒸着させる、ガス注入部品２を用いた装置及び方法に関する。この装置において、ガス状前駆体と反応ガスが別々にガス注入部品２に導入される。ガス状前駆体と反応ガスは、混合の度合いを高くするために、ガス注入部品２に滞留している間に混合される。反応ガスが、ガス注入部品２中で気相反応をしないように、ガス注入部品２中における滞留時間が短縮されている。ガス状前駆体が化学的反応性が高い反応ガスと、凝固、分解又は予備反応しないように、ガス注入部品２は、高い度合いの温度均一性を有する。ガス状前駆体と反応ガスは、混合チャンバ１１、１２で混合される前は、別々にされている。混合チャンバ１１、１２の中では、粒子の形成を可能な限り避けるために、可能な限り低い圧力の下、可能な限り時間をかけて混合を行う。この点において、可能な限り圧力を減圧せずに、ガス注入部品２に通すことは、ガス状前駆体にとって利点がある。この利点は、前段に置かれた蒸発器（図示せず）を用いて、前駆体を気相に転換する場合に顕著に見られる。前駆体との気相飽和度を高めるためには、滞留時間、温度均一性及び減圧が特に重要である。

混合チャンバ１１、１２は、環状拡散通路１４の周囲に周方向に配置されている。環状拡散通路１４は、アクセス開口１０を設けられた環状壁２２によって、ガス注入部品にあるチャンバ４と隔てられている。ガス注入部品の中央にあるチャンバ４は、排気口２３を設けられた底部によって、基板が位置する反応チャンバ２１と隔てられている。

混合されたガス状前駆体と反応ガスは、混合チャンバ１１、１２を出た後、環状拡散通路１４で更に混合され、ガス注入部品の中央にあるチャンバに左右対称の動径方向に入り込む。本明細書に記載の装置及び方法によって、環状拡散通路１４のどの地点でも均一な濃度が実現される。混合されたガス状前駆体と反応ガスが、ガス注入部品の中央にあるチャンバ４に流れ込む際、動径方向における濃度勾配は生じない。基板を回転しても、濃度勾配は生じ得ない。しかし、ガス注入部品２は、一部の用途において、基板を回転する必要がないように設計されている。ガス注入部品の中央にあるチャンバの底部への圧力の減圧は小規模であるため、混合されたガス状前駆体と反応ガスは、ガス注入部品の中央にあるチャンバ４から処理チャンバに均一に流れ出ることができる。

図５に示されるＣＶＤ反応炉の構造は、真空気密で外部から遮断された反応炉ハウジング１を有する。ガス状前駆体と反応ガスは、別々の供給管８、９を通って反応炉ハウジング１に流れ込む。その際、ガス状前駆体と反応ガスは、反応炉ハウジング１内部にあり、基板ホルダ３の上に位置するガス注入部品２に流れ込む。ガス注入部品２の底部と共に、基板ホルダ３は、処理チャンバ２１を形成する。ガス注入部品２で混合されたガス状前駆体と反応ガスは、基板ホルダ３上に位置する基板に蒸着させるために処理チャンバ２１に導入される。基板ホルダ３は回転させることができ、軌道軸５によって回転させる。処理チャンバへの搭載は、搭載／取り出し開口６を介して行われる。排ガスは、ガス排気口７を通って外部に排気される。

図面１〜６は、ガス注入部品２の詳細な構造を示している。ガス注入部品２は、実質的に、重ね合わせて配置された２枚の板金１８、１９から成る。板金１９は、カバー部分を形成している。カバー部分は、ガス状前駆体と反応ガスを別々にガス注入部品２へ導入させる供給管１６、１７の組合わせを有する。供給管１６、１７の数は、混合チャンバ１１、１２の数に相応する。

この場合、供給管１６、１７は、分離壁１３によって隔てられ分離壁１３と共に混合チャンバ組部材１１、１２、１３を形成する混合チャンバ１１、１２の各々に開口する。

合計６つの混合チャンバ組部材１１、１２、１３が、等間隔で円状に分布して配置されている。これらの混合チャンバ組部材１１、１２、１３は、下側の板金１８の穿孔として形成されている。更に、下側の板金１８は、ガス拡散チャンバとして役に立つ、ガス注入部品の中央にあるチャンバ４を形成する。ガス注入部品の中央にあるチャンバ４は、底部に、スクリーン状に配置された多数の開口を有し、これらの底部開口は、混合されたガス状前駆体と反応ガスを排気するための排気口２３を形成する。

ガス拡散チャンバであるガス注入部品の中央にあるチャンバ４は、ガスの拡散に役立つ環状拡散通路１４によって囲まれている。環状拡散通路１４は、溝によって形成されている。環状拡散通路１４とガス注入部品の中央にあるチャンバ４を隔てる環状壁２２は、動径方向に広がった多数のアクセス開口１０を有する。これらのアクセス開口１０を介して、混合されたガス状前駆体と反応ガスは、環状拡散通路１４を出て、ガス注入部品の中央にあるチャンバ４に流れ込む。

個々の混合チャンバ組部材１１、１２、１３は、供給管８に接続される供給管１６が開口する第一注入チャンバである第一チャンバ１１を有する。これらの供給管８、１６を通って、前駆体を搬送するキャリアガスは、第一チャンバ１１に流れ込む。第一チャンバ１１は、丸みを帯びた壁１１‘を有する。第一チャンバ１１が排気口２４に開口する部分は、若干のくびれを有する。第一チャンバ１１は、排気口２４を通じて、環状拡散通路１４に直結されている。

第一チャンバ１１の周方向の反対側には、供給管９に接続される供給管１７が開口する注入チャンバである第二チャンバ１２が配置されている。反応ガスは、この供給管９を通って、第二チャンバ１２に導入される。第二チャンバ１２の壁１２‘も、同様に丸みを帯びている。しかし、第一チャンバ１１と違い、第二チャンバ１２は、環状拡散通路１４に直結されていない。排気口２４又は第一チャンバ１１及び第二チャンバ１２の間には、第二チャンバ１２内の反応ガスが通過して排気口２４に入られるようにするために、細長い板金である多孔板から成る分離壁１３がある。

排気口２４の開口の前段には、ガス流案内手段１５がある。ガス流案内手段１５は、折り曲げられた板金であり、排気口２４から流れ出るガス流を、周方向に伸びた環状拡散通路１４の方向に流させる。ガス流案内手段１５は、分離壁１３の延長部分である。分離壁１３及びガス流案内手段１５は、環状拡散通路１４の環状壁２２に沿って伸びた取り付け突起２０の上に位置している。分離壁１３、ガス流案内手段１５及び取り付け突起２０から成るこの部分は取替え可能である。２枚の板金１８、１９を引き離すことで、取替えを行うことができる。

ガス流案内手段１５の端部はブレード状であり、ガス注入部品の中央にあるチャンバ４を囲む溝によって形成された環状拡散通路１４の中間付近で伸びている。

図４に示す例示的実施形態の場合、２つの混合チャンバである第一チャンバ１１と第二チャンバ１２は、少なくとも特定の領域において、丸みを帯びた壁１１‘、１２’によって相互に接続された並行壁部を有する。図６に示す例示的実施形態の場合、第二チャンバ１２のみが、丸みを帯びた壁１２‘によって相互に接続された２つの並行壁部を有する。第一チャンバ１１は、円の半分以上が描かれた弧の形状をした壁を有する。この形状によって、壁にくびれが形成される。

開示される特徴は、（本質的に）全て本発明に関連するものである。本願の請求項に組み込むこと等を目的とした関連／添付の優先権書類開示内容（先願の写し）も、その全てが本願の開示に含まれている。

以下において、本発明を図面に沿って説明する。
例示的実施形態のガス注入部品のカバー部分の平面図を示す。 図１のガス注入部品の側面図を示す。 ガス注入部品の平面図を、カバー部分を外した状態で示す。 図３の線ＩＶ−ＩＶの内側の詳細図を示す。 ガス注入部品を備えたＣＶＤ反応炉の概略図を示す。 改良を施した断面概略図を有する混合チャンバ１１であり、図４に係わる略図を示す。

Claims (15)

1. チャンバ（４）を備えたＣＶＤ反応炉用ガス注入部品（２）であって、
   前記ガス注入部品（２）の周縁部にあるアクセス開口（１０）を介して前記チャンバ（４）に導入されたプロセスガスを、前記ＣＶＤ反応炉（１）の処理チャンバ（２１）に入れるために底部に多数の排気口（２３）を有し、更に、
   前記アクセス開口（１０）よりも前段に、実質的に等間隔で円状に分布して配置された多数の混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）を具備し、前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）の各々の中で少なくとも２種類のプロセスガスが混合されることを特徴とするＣＶＤ反応炉用のガス注入部品。
2. 前記チャンバ（４）を囲み、実質的に等間隔で円状に分布して配置された多数のアクセス開口（１０）を介して、前記チャンバ（４）と連通している環状拡散通路を有することを特徴とする請求項１に記載のガス注入部品。
3. 前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）を出た前記プロセスガスの流れが、前記環状拡散通路（１４）へ案内され、導入されることを特徴とする請求項２に記載のガス注入部品。
4. 前記プロセスガスの流れが、ガス流案内手段（１５）によって案内されることを特徴とする請求項３に記載のガス注入部品。
5. 実質的に等間隔で円状に分布して配置された多数の混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のガス注入部品。
6. 前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）が、第一のプロセスガス用の供給管（１６）が開口する第一チャンバ（１１）、及び第二のプロセスガス用の供給管（１７）が開口する第二チャンバ（１２）を有し、前記第一及び第二チャンバが、ガス透過可能な分離壁（１３）によって互いに隔てられていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のガス注入部品。
7. 前記第一チャンバ（１１）が、前記環状拡散通路（１４）に対して開口しており、及び前記第二チャンバ（１２）が、前記環状拡散通路（１４）に対して閉じられていることを特徴とする請求項６に記載のガス注入部品。
8. 前記ガス透過可能な分離壁（１３）が、多孔板であることを特徴とする請求項６又は７のいずれかに記載のガス注入部品。
9. 前記ガス透過可能な分離壁（１３）が、前記ガス流案内手段（１５）の延長部分であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のガス注入部品。
10. 前記ガス浸透可能な分離壁（１３）、及び前記ガス流案内手段（１５）が、前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）に着脱可能な板金により形成されていることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載のガス注入部品。
11. 前記プロセスガスを拡散させるために多数の排気口（２３）を底部に有する前記チャンバ（４）、前記チャンバ（４）を囲む環状拡散通路（１４）、及び前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）の二つのチャンバ（１１、１２）が、板金（１８）を穿孔した部分であり、前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）の前記チャンバ（１１、１２）につながる供給管（１６、１７）を形成するカバー部分が、前記板金（１８）の上に係合することを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載のガス注入部品。
12. 前記アクセス開口（１０）が環状溝（２２）にあり、前記アクセス開口（１０）が前記環状溝（２２）の壁の高さの２分の１の位置にあって、前記チャンバ（４）の底部から離れている部分に位置し、より具体的には、前記環状溝（２２）の壁の３分の１の高さ位置にあって、前記チャンバ（４）の底部から最も離れている部分に位置することを特徴とする請求項１〜１１のいずれかに記載のガス注入部品。
13. 前記ガス注入部品の温度が調節されており、該ガス注入部品が、温度を均一化するために、熱容量を有する周縁部を、前記ガス注入部品内部のチャンバ（４）、前記環状拡散通路（１４）、及び前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）の周囲に有することを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のガス注入部品。
14. ＣＶＤ反応炉の中における請求項１〜１３のいずれかに記載のガス注入部品（２）の使用方法であって、前記混合チャンバ組部材（１１、１２、１３）の前記第一チャンバ（１１）に、特に金属又は半導体成分を含有するガス状の前駆体を導入し、前記第二チャンバ（１２）に、特に酸素化合物又は窒素化合物、又は水素化合物である反応ガスを導入する使用方法。
15. 請求項１〜１４のいずれかに記載のガス注入部品（２）を用いて、処理チャンバ（２１）に前記プロセスガスを導入することを特徴とし、基板ホルダに搭載された少なくとも一つの基板をコーティングする処理チャンバを備えたＣＶＤ反応炉。

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